ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАОТИЧЕСКИХ АВТОКОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРОННОМ ПУЧКЕ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ

March 27, 2012 by admin Комментировать »

Калинин Ю. А., Короновский А. А., Ремпен И. С., Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Саратовский государственный университет Саратов – 410012, Россия Тел.: (8452) 523864; e-mail: aeh@cas.ssu.runnet.ru

Аннотация – В докладе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования сложных нестационарных колебаний в электронном пучке со сверх- критическим током (сверхкритическим первеансом). Показано, что установление широкополосных хаотических колебаний виртуального катода определяется процессами структурообразования в электронном потоке.

I.  Введение

Рис. 1. Характерные спектры мощности колебаний электрического поля в области виртуального катода в виркаторе при большом фокусирующем пучок магнитном поле (В ~ 30-40 кГс) (а) и отсутствии магнитного поля (Ь). Численное моделирование с помощью решения самосогласованной системы уравнений Максвелла-Власова.

Fig. 1. Typical power spectrum of electric field oscillations in virtual cathode region in vircator for large electron beam focusing magnetic field (B ~ 30-40 kG) (a) and absent of magnetic field (b). Numerical simulation with the aid of solve of self-consistent Maxwell-Vlasov equation systems

Анализ развития колебательных процессов в протяженных интенсивных пучках заряженных частиц в режиме образования виртуального катода является весьма важной и актуальной задачей. Хорошо известно [1-5], что подобные системы характеризуются сложной динамикой, могут демонстрировать широкий спектр нелинейных явлений, включая детерминированный хаос. Исследование сложных хаотических колебаний в системах с виртуальным катодом интересны как с фундаментальной точки зрения изучения хаотической динамики и процессов структурообразования в распределенных автоколебательных системах, так и в практическом приложении для создания источников широкополосных шумоподобных колебаний СВЧ-диапазона.

В данной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование колебательных процессов в пучке со сверхкритическим током (сверхкритическим первеансом), направленное на выявление физических механизмов, приводящих к установлению широкополосной хаотической генерации систем с виртуальным катодом.

II.  Основная часть

Теоретическое исследование проводилось с помощью численного двумерного моделирования процессов в электронном пучке со сверхкритическим током (сверхкритическим первеансом) с помощью методом крупных частиц. Исследование показало сильную зависимость характеристик колебаний в пучке с виртуальным катодом от тока инжектируемого пучка и величины внешнего фокусирующего магнитного поля. При больших значениях фокусирующего магнитного поля, когда движение пучка близко к одномерному, обнаружено существенное усложнение спектрального состава излучения системы на виртуальном катоде с ростом надкритичности (превышением тока пучка (первеанса) над критическим значением). В этом случае наблюдается переход системы от режима близких к регулярным колебаниям (см. рис. 1а) к режиму развитых хаотических колебаний с узкополосным спектром генерации. Уменьшение величины магнитного поля приводит к существенному расширению спектра хаотической генерации (см. рис. 1Ь).

Показано, что подобное поведение системы во многом определяется динамикой пучка в поперечном направлении и формированием в электронноволновой системе со сверхкритическим током нескольких виртуальных катодов, взаимодеиствие между которыми можно трактовать как внутреннюю распределенную обратную связь, приводит к усложнению пространственно-временной динамики системы, и как следствие, расширению спектрального состава генерируемого СВЧ-излучения.

Экспериментально исследовалась система с интенсивным нерелятивистским электронным пучком со сверхкритическим первеансом, представляющая собой диодный промежуток с тормозящим полем. Эксперимент показал, что генерируемые СВЧ- сигналы имеют вид шумоподобных колебаний в широкой полосе частот (см. рис. 2). Экспериментально определенные зависимости спектральных и энергетических характеристик генерации интенсивного электронного пучка находятся в хорошем соответствии с результатами теоретического исследования.

Рис. 2. Типичный спектр мощности генерируемых СВЧ-колебаний в пучке с виртуальным катодом, снятый с экспериментального макета.

Fig. 2. Typical power spectrum of microwave oscillations in electron beam with virtual cathode on experimental device

III.  Заключение

В работе с помощью численного моделирования и экспериментального изучения слаботочного макета системы на виртуальном катоде изучены особенности перехода к сложной хаотической динамике в электронном пучке со сверхкритическим током. Показано, что установление широкополосной хаотической генерации в виркаторе определяется процессами образования и взаимодействия электронных структур в пучке со сверхкритическим током.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 02-02-16351), Федеральной программой поддержки ведущих научных школ (НИИ250.2003.2) и U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF), grant REC-006. A.X. также благодарит фонд “Династия” за финансовую поддержку.

IV.  Список литературы

[1 ] Гадецкий Н. Н„ Магда И. И.. Найстетер С. И. и др. Физика плазмы. 19, 4, 1993, С. 530.

[2]  Селемир В. Д.. Алехин Б. В.. Ватрунин В. Е. и др. Физика плазмы. 20, 7,8, 1994, С. 682.

[3]  Анфиногентов В. Г.. Храмов А. Е. Изв. вузов. Радиофизика. XLI, 1998, С. 1137.

[4] Храмов А. Е. Радиотехника и электроника. 44, 5,1999, С. 551.

[5]  Короновский А. А.. Храмов А. Е. Физика плазмы. 28, 8,

2002,               С. 722.

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF CHAOTIC OSCILLATIONS IN ELECTRON BEAM WITH VIRTUAL CATHODE

Kalinin Yu. A., Koronovskiy A. A., Rempen I. S., TrubetskovD. I., Hramov A. E.

Saratov State University Saratov – 410012, Russia e-mail: aeh@cas.ssu.runnet.ru

Abstract – The present report deals with theoretical and experimental research of oscillatory processes in an electron beam with virtual cathode (VC). The purpose of this work is investigation of physical mechanisms which lead to the chaotic generation in the systems with VC (vircators).

I.  Introduction

The analysis of oscillatory processes in extended intensive beams of charged particles in regimes of the VC formation is rather important and actual problem. It is well-known [1-5] that such systems are characterized by complex dynamics and can show a wide spectrum of the nonlinear phenomena including the dynamical chaos. Researches of complex chaotic oscillations in systems with the VC are very important both from the fundamental point of view to investigate of chaotic dynamics and pattern formation in the distributed active media and for the practical applications to create broadband noise-type microwave radiation sources.

II.  Main part

The present report deals with theoretical and experimental research of oscillatory processes in an electron beam with an overcritical current (overcritical perveance). The purpose of this work is the investigation of physical mechanisms which lead to the broadband chaotic generation in the systems with the VC.

In our research we have used the numerical 2D simulation of processes in electron beam with overcritical current. It has been shown that strong dependence of VC oscillation characteristics on injected current and external focusing magnetic field takes place. If the value of focusing magnetic field is enough large, the movement of electrons in the beam is close to one-dimensional. In this case we have observed essential complication of microwave radiation spectrum with electron beam current increasing. Thus, the transition from the regime of close to regular oscillations to a regime of the complex chaotic oscillations with a narrowband power spectrum takes place. When the value of a magnetic field decreases the power spectrum of chaotic microwave generation becomes broadband (Fig. 1). It has been shown that such behaviour of system is determined by electron beam dynamics in a cross direction and formation of several VC’s in system with overcritical current. This result is verified by means of Karhunen- Loeve decomposition of the space-time data. The interaction between these structures can be interpreted as the internal distributed feedback. It leads to the complication of the space-time dynamics of electron beam with VC in vircator.

The system with an intensive not relativistic electron beam with overcritical perveance has been investigated experimentally. This system is the diode space region with a braking electric field and intensive electron beam. It has been shown that microwave signal generated by the electron beam with VC looks like noise- type oscillations in wide range of frequencies (Fig. 2). Experimental results of investigation of spectral and power characteristics of microwave generation of an intensive electron beam with VC agree qualitative with the results of the theoretical research well.

III.  Conclusion

The work is concerned with experimental and theoretical study of chaotic oscillations and pattern formation in electron beam with VC in different modifications of vircators.

This work has been supported by RFBR (grant 02-02-16351), Program of Leading Scientific School Support (NSh-1250.2003.2) and U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF), grant REC-006. A.H. also acknowledges “Dynasty” Foundation.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты